周興勇

摘要：盾構(gòu)隧道在建設(shè)過程中，常會(huì)受到一些環(huán)境因素的干擾從而導(dǎo)致一些嚴(yán)重的后果。本文利用ABAQUS建立盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的數(shù)值模型，對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行模擬，計(jì)算盾構(gòu)管片拼裝的局部受力與變形、以及整體縱向的拼裝變形，以及地層的分層沉降等，分析了盾尾里程與橫向地表沉降關(guān)系、不同施工階段橫向地表沉降規(guī)律以及盾構(gòu)推進(jìn)引起縱向地表沉降分析、管片變形等盾構(gòu)施工擾動(dòng)機(jī)理。分析結(jié)果對(duì)研究深埋盾構(gòu)隧道穿越過程中隧道微擾動(dòng)影響，制定施工安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)大深度盾構(gòu)隧道安全高效施工具有一定參考價(jià)值。

Abstract： During the construction process， shield tunnels are often disturbed by some environmental factors， resulting in some serious consequences.? In this paper， the numerical model of shield tunneling is established by ABAQUS， the whole construction process is simulated. The local force and deformation of the shield segment assembly， the overall longitudinal assembly deformation， and the layered settlement of the formation are calculated. The relationship between the shield tail mileage and the horizontal surface settlement， the horizontal surface settlement law at different construction stages， the longitudinal surface settlement analysis caused by shield propulsion， and the deformation mechanism of the shield construction are analyzed. The analysis results have a certain reference value for studying the influence of tunnel micro-disturbance during the tunneling process of deep-buried shield tunnels， formulating construction safety technical standards， and realizing safe and efficient construction of large depth shield tunnels.

關(guān)鍵詞：深埋盾構(gòu)隧道;地表沉降;數(shù)值模擬

Key words： deep buried shield tunnel;surface settlement;numerical simulation

中圖分類號(hào)：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0243-04

0? 引言

隨著我國城市化進(jìn)程加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了迅猛發(fā)展，盾構(gòu)隧道逐步向密集和大深度方向發(fā)展，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，盾構(gòu)隧道在建設(shè)過程中，會(huì)受到一些環(huán)境因素例如上方基坑開挖、附近打樁等的干擾，會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的后果，大都表現(xiàn)為地表不均勻沉降、地表塌陷、地層損失率過大，從而造成盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生隧道徑向的管片拼裝有偏差的問題，因此解決掘進(jìn)過程中環(huán)境因素的干擾，實(shí)現(xiàn)大深度盾構(gòu)隧道安全高效施工具有重要意義。

目前對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)環(huán)境擾動(dòng)的研究通常是結(jié)合具體工程實(shí)例，深入分析掘進(jìn)過程中難點(diǎn)并提出解決辦法。王啟東以天津地鐵站金獅大橋至天津站盾構(gòu)隧道施工為例，分析了盾構(gòu)尾翼施工過程中出現(xiàn)漏砂的破壞原因，并提出有針對(duì)性的措施，確保盾構(gòu)施工安全[1]。陳驍采用有限元數(shù)值方法，以高架橋施工為工程背景，從地表變形、樁基礎(chǔ)變形、樁側(cè)阻力等方面對(duì)樁基特性進(jìn)行了深入分析[2]。肖豐結(jié)合盾構(gòu)隧道進(jìn)出隧道工程建設(shè)的難點(diǎn)，提出了其風(fēng)險(xiǎn)控制的技術(shù)和管理措施[3]。張耕獲等針對(duì)北京地鐵4號(hào)線某盾構(gòu)段地質(zhì)不良地段，對(duì)工具的磨損和更換、土倉大量積水、沉降等問題進(jìn)行了分析，并提出解決此類問題的方法[4]。趙繼生結(jié)合中國某市地鐵一標(biāo)段工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法研究了不良地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道地表沉降規(guī)律[5]。陳孝湘等以廈門某電力入島工程為背景，選擇了目前常用的隧道施工方法即含卵石砂質(zhì)粘性土層的隧道施工方法。分析并給出深埋隧道施工技術(shù)的選擇問題的施工建議[6]。趙先鵬等以深圳地鐵5號(hào)線臨海灣站盾構(gòu)掘進(jìn)段為例，分析了施工中的工具磨損、盾構(gòu)施工過程中軸線偏移和地面沉降等問題，并提出解決方案[7]。徐前衛(wèi)等進(jìn)行了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)與切割模型試驗(yàn)，研究了不同埋深、不同刀盤開度、不同土質(zhì)條件下頂推力和刀盤。

本文引入數(shù)值模擬來解決隧道管片的計(jì)算問題，對(duì)深埋盾構(gòu)隧道掘進(jìn)環(huán)境微擾動(dòng)問題進(jìn)行了全面細(xì)致總結(jié)，以實(shí)際盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程為模擬對(duì)象，模擬一環(huán)一環(huán)管片拼裝和推進(jìn)過程。針對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤的切削以及管片的拼裝過程，考慮盾構(gòu)切削與管片拼裝過程中存在的幾何大變形、材料非線性、接觸非線性等幾個(gè)方面的復(fù)雜因素，計(jì)算盾構(gòu)管片拼裝的局部受力與變形、以及整體縱向的拼裝變形，以及地層的分層沉降等，分析盾尾里程與橫向地表沉降關(guān)系、不同施工階段橫向地表沉降規(guī)律以及盾構(gòu)推進(jìn)引起縱向地表沉降分析、管片變形等盾構(gòu)施工擾動(dòng)機(jī)理。

1? 工程概況

上海某隧道全長共5260m，主要采用盾構(gòu)法隧道和明挖順做方式進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，其中盾構(gòu)隧道長3390m，分東西兩線進(jìn)行施工。采用一臺(tái)直徑14.93m泥水氣平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。盾構(gòu)段主要埋置于上海第④、⑤、⑤1-1、⑤3、⑥、⑦1-1、⑦1-2、⑦2土層中，隧道中心埋深18m-52.2m。

2? 盾構(gòu)隧道施工過程有限元分析

2.1 盾構(gòu)施工過程及模擬要點(diǎn)

盾構(gòu)的施工過程主要包括4個(gè)步驟。首先是對(duì)開挖面進(jìn)行開挖，此時(shí)應(yīng)注意對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。接下來是盾構(gòu)機(jī)尾部的管片拼接，此時(shí)要注意，一般用6-8塊管片襯砌一次，常規(guī)的襯砌環(huán)厚度在0.5-1.2m。再接下來是在盾構(gòu)機(jī)尾部進(jìn)行注漿，此時(shí)注漿主要是為了填充盾構(gòu)尾部和土體之間的縫隙同時(shí)對(duì)襯砌起到防滲的作用。最后就是不斷重復(fù)上述的步驟，隨著開挖面的深入，重復(fù)之前的操作，直到隧道施工完成。

基于盾構(gòu)施工過程的復(fù)雜性的綜合考慮，具體盾構(gòu)施工過程數(shù)值模擬的要點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

①首先要建立一個(gè)初始的地應(yīng)力場，本文地面超載，因此只考慮自重應(yīng)力場;

②由于漿體是由液態(tài)逐漸硬化，但液態(tài)難以模擬，因此建立等效層、布置等效均布力來模擬盾尾注漿過程;即在挖掉土體后形成隧道洞室的土體和襯砌單元面上分別施加均布?jí)毫?

③建立特殊結(jié)構(gòu)—等代層，讓一些不易體現(xiàn)的外部因素的影響可以在計(jì)算中量化體現(xiàn);

④為了反映出施工過程不連續(xù)的特點(diǎn)，可以改變單元材料的類別，進(jìn)而采用剛度遷移法來考慮。

2.2 參數(shù)的選取

根據(jù)數(shù)值仿真需要，考慮到隧道底部高水壓作用，同時(shí)根據(jù)各段土層液性指數(shù)，對(duì)液性指數(shù)接近或是大于1的土體，按照有效重度進(jìn)行計(jì)算;將注漿材料采用非線性彈性模型。由于隨著水合作用的發(fā)生，注漿材料從液體變化固體，其物理形態(tài)發(fā)生一定改變，為了簡化模型計(jì)算，將楊氏模量按照一定規(guī)律變化，來近似描述注漿材料層的非線性材料屬性其變化規(guī)律。材料參數(shù)詳見表1和表2。

2.3 模型建立

根據(jù)實(shí)際隧道空間曲線形狀以及土層分布的非均勻性，建立土層和待開挖隧道的空間幾何有限元模型圖。在綜合分析計(jì)算效率和實(shí)際隧道開挖的最大影響范圍的基礎(chǔ)上，將整條隧道分成若干段進(jìn)行重點(diǎn)分析，當(dāng)盾構(gòu)穿越不同地層時(shí)，通過更改地層土體參數(shù)，經(jīng)過不同的施工參數(shù)設(shè)置的思路來建立，一方面可以簡化重復(fù)建模的繁瑣過程，減少工作量，另一方面可以對(duì)多種不同工況進(jìn)行對(duì)比分析。

所建立的模型的基本尺寸為：深度方向（Y向）59m，沿在建隧道方向（Z方向）70環(huán)，分析601環(huán)-628環(huán);垂直在建隧道方向69m（X向）。盾構(gòu)管片外徑8.5m，內(nèi)徑7.7m，環(huán)寬1.6m，管片厚400mm。以實(shí)際開挖一環(huán)作為一個(gè)載荷進(jìn)行迭代計(jì)算?？偣残枰?jì)算的載荷步約為125步左右，單元總數(shù)：29540;節(jié)點(diǎn)總數(shù)：32108。隧道建成后的有限元計(jì)算模型及管片構(gòu)造的整體模型如圖1所示。其中隧道管片、注漿層等都以實(shí)體單元建模，盾殼以殼單元建模。管片單元以線彈性材料處理，模型側(cè)面為位移邊界，限制水平移動(dòng)，底部為固定邊界，限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)，模型上面為地表，取為自由邊界。

3? 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 盾尾里程與橫向地表沉降關(guān)系

選取K=0.5-K=0.7時(shí)的第12.8m處橫向地表沉降為研究對(duì)象。圖2-圖4分別為為K=0.5、K=6、K=7時(shí)施工至12.8m處和25.6m處第12.8m處第3環(huán)、第6環(huán)、第9環(huán)、第12環(huán)處橫向地表沉降曲線。分析可知施工至25.6m的橫向地表沉降變化規(guī)律與12.8m處的曲線類似，隨著盾構(gòu)的不斷推進(jìn)，其橫向地表沉降不斷減小，沉降變化幅度也呈減小的趨勢(shì);橫向地表的沉降量隨著盾尾里程的增加，而不斷減小，這是由于，埋深的增加使得盾構(gòu)對(duì)地表位置處的擾動(dòng)影響減小，因而產(chǎn)生的沉降值較小。

此外不難發(fā)現(xiàn)，K值的不同，其橫向地表沉降與盾尾里程的關(guān)系基本相同，主要差別在于沉降量的大小以及變化幅度出現(xiàn)最大位移量的位置由于盾構(gòu)埋深的變化而不斷向盾構(gòu)掘進(jìn)面前方移動(dòng)，隨著埋深的增加（通過調(diào)整K的值反映埋深的變化），盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響逐漸減小，地表沉降的增加幅度也相應(yīng)減小。

3.2 不同施工階段橫向地表隆沉規(guī)律

圖5所示為盾構(gòu)不同階段下第8環(huán)地表橫向沉降曲線?？傻弥S著盾構(gòu)掘進(jìn)的不斷推進(jìn)，盾尾穿越離開后對(duì)橫向地表變形的影響達(dá)到最大，但由于同步注漿施工對(duì)隧道四周的加固作用，穿越后期地表沉降的增長幅度逐漸減小。隨著埋深的逐漸增加，盾構(gòu)穿越后期產(chǎn)生的地表沉降逐漸減小，這是由于盾構(gòu)隧道覆土埋深的增加，隧道開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放對(duì)于地表位置的影響十分有限。但橫向地表沉降仍呈正曲線性態(tài)分布，沉降槽寬度也有所增加。

3.3 盾構(gòu)推進(jìn)引起縱向地表隆沉分析

圖6為不同掘進(jìn)深度地表縱向沉降曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，盾構(gòu)前方產(chǎn)生的沉降較小，而盾構(gòu)后方沉降由于受到同步注漿等加固措施的作用，沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定且在開挖至16m位置時(shí)，其施工產(chǎn)生的縱向沉降較開挖至8m時(shí)大，兩者縱向沉降變形規(guī)律相近。

隨著埋深的增加，由于土拱作用范圍的增大，可以有效抑制破壞朝地表發(fā)展。因而其產(chǎn)生的地表沉降非常小，而在相同埋深條件下，隨著開挖的推進(jìn)沉降槽寬度也逐漸減小直至消失，可以推斷，在盾構(gòu)遠(yuǎn)離到一定里程后，此時(shí)產(chǎn)生的地表沉降幾乎可以忽略不計(jì)。

4? 結(jié)束語

本文通過建立盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的數(shù)值模型，分析了盾尾里程與橫向地表沉降關(guān)系、不同施工階段橫向地表沉降規(guī)律以及盾構(gòu)推進(jìn)引起縱向地表沉降分析等盾構(gòu)施工擾動(dòng)機(jī)理。隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，地表沉降值的變化幅度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，橫向地表的沉降量隨著盾尾里程的增加，而不斷減小，盾尾穿越離開后對(duì)橫向地表變形的影響達(dá)到最大。隨著埋深的增加，可以有效抑制破壞朝地表發(fā)展。可以推斷，在盾構(gòu)遠(yuǎn)離到一定里程后，此時(shí)產(chǎn)生的地表沉降幾乎可以忽略不計(jì)。

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